1. Nature Commun.：無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的層間表面工程開(kāi)發(fā)長(zhǎng)周期準(zhǔn)全固態(tài)鋰電池的策略
具有無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的鋰金屬電池（LMB）被認(rèn)為是極具前景的二次電池系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兊哪芰亢扛哂阡囯x子電池。然而，LMB的性能對(duì)于商業(yè)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍然不夠優(yōu)秀，主要是因?yàn)闊o(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)無(wú)法阻礙鋰枝晶的生長(zhǎng)。鑒于此，來(lái)自三星尖端技術(shù)研究所的Dongmin Im和Ju-Sik Kim等人通過(guò)使用Ag涂層的Li6.4La3Zr1.7Ta0.3O12（LLZTO）無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)與銀碳夾層結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的界面間工程實(shí)驗(yàn)室規(guī)模LMB的生產(chǎn)。1) 該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算建模，成功證實(shí)了夾層策略能夠有效地調(diào)節(jié)鋰剝離/鍍覆，并且防止了固態(tài)電解質(zhì)顆粒中枝晶的滲透發(fā)生；2) 此外，通過(guò)將表面工程LLZTO與鋰金屬負(fù)極、高壓正極和離子液體基液體電解質(zhì)溶液在袋狀電池配置中進(jìn)行耦合，研究在不施加外部壓力的情況下于1.6?mA/cm2和25?°C循環(huán)了800次，并且該電池能夠?qū)崿F(xiàn)約3mAh/cm2的初始放電容量和約85%的放電容量保持率。
Kim, JS., Yoon, G., Kim, S. et al. Surface engineering of inorganic solid-state electrolytes via interlayers strategy for developing long-cycling quasi-all-solid-state lithium batteries. Nat Commun 14, 782 (2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36401-7https://doi.org/10.1038/s41467-023-36401-7
2. Nature Commun.：基于圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氨氧化無(wú)銥三金屬電催化劑的可解釋設(shè)計(jì)
電化學(xué)氨氧化制二氮作為能源和環(huán)境應(yīng)用的手段，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)氮循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)，最先進(jìn)的金屬催化劑（包括Pt及其含Ir的雙金屬片）都受著過(guò)電位的限制，并且貴金屬的價(jià)格飆升也使得成本高昂。鑒于此，來(lái)自弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)化學(xué)工程系的Hongliang Xin，紐約州立大學(xué)Gang Wu，江蘇大學(xué)Yi Li等人通過(guò)基于從頭計(jì)算數(shù)據(jù)訓(xùn)練的圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)探索三元Pt合金納米結(jié)構(gòu)的巨大設(shè)計(jì)空間，以同時(shí)預(yù)測(cè)位點(diǎn)反應(yīng)性、表面穩(wěn)定性和催化劑合成性能描述符。1) 該研究證實(shí)，在主動(dòng)學(xué)習(xí)工作流程中出現(xiàn)的幾個(gè)不含Ir的候選合金中，Pt3Ru-M（M:Fe、Co或Ni）合金被成功合成，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)氨氧化的活性高于Pt、Pt3Ir和Pt3Ru；2) 此外，研究使用位點(diǎn)基序的機(jī)器學(xué)習(xí)表示的特征歸因分析提供了對(duì)金屬表面化學(xué)鍵合的深入見(jiàn)解，并闡明了在結(jié)合位點(diǎn)的d帶中心度量之外的高性能催化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略。
Pillai, H.S., Li, Y., Wang, SH. et al. Interpretable design of Ir-free trimetallic electrocatalysts for ammonia oxidation with graph neural networks. Nat Commun 14, 792 (2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36322-5https://doi.org/10.1038/s41467-023-36322-5
3. JACS：天然光合作用親核oxo-oxo偶聯(lián)產(chǎn)氧
在PSII體系生成O2的反應(yīng)是地球最重要的反應(yīng)，但是人們對(duì)生成O--2的機(jī)理仍并不清楚。目前接受程度最高的機(jī)理是“自由基偶聯(lián)”機(jī)理（RC），這種機(jī)理通過(guò)Mn4CaO6簇的Mn(IV)-氧結(jié)構(gòu)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證S3態(tài)，進(jìn)一步支持這個(gè)機(jī)理。但是目前人們發(fā)現(xiàn)高等植物中形成S3態(tài)的結(jié)構(gòu)缺乏配體，并且導(dǎo)致S4態(tài)形成以共價(jià)鍵方式結(jié)合在Mn3CaO4的Mn(V)=oxo結(jié)構(gòu)。有鑒于此，西湖大學(xué)孫立成、于默奧大學(xué)Johannes Messinger等報(bào)道對(duì)大量可能形成O-O化學(xué)鍵的方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)各種可能的機(jī)理中只有Mn(V)=oxo和μ3-oxo之間的“親核oxo-oxo偶聯(lián)”（NOOC）是可能的機(jī)理。1）該反應(yīng)通過(guò)簇的特定構(gòu)象，結(jié)合水分子，比RC機(jī)理更加滯后。基于研究結(jié)果，提出了從S4態(tài)開(kāi)始的催化反應(yīng)，分別生成過(guò)氧化物、超氧化物，最后釋放O2并且再次插入水分子。這種新型機(jī)理與實(shí)驗(yàn)報(bào)道結(jié)果的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)果相符，因此是高等植物進(jìn)行自然光合作用的一種產(chǎn)O2機(jī)理。2）通過(guò)DFT理論計(jì)算，提出從S4態(tài)作為起點(diǎn)的產(chǎn)氧機(jī)理，從而說(shuō)明產(chǎn)氧反應(yīng)可能存在多種不同反應(yīng)機(jī)理，尤其是高等植物。
Yu Guo, et al, Alternative Mechanism for O2 Formation in Natural Photosynthesis via Nucleophilic Oxo–Oxo Coupling, J. Am. Chem. Soc. 2023DOI: 10.1021/jacs.2c12174https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12174
4. Angew：熔鹽體系中聚三氮雜酰亞胺單晶的定向結(jié)晶過(guò)程
熔鹽法制備的聚三氮唑酰亞胺光催化劑具有一步完全分解水的激發(fā)能力，是一種很有前途的聚合物半導(dǎo)體材料。揭示PTI晶體的分子共軛、成核和結(jié)晶過(guò)程是其可控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，福州大學(xué)王心晨教授，Zhiyang Yu從介觀尺度到納米尺度對(duì)PTI結(jié)晶前沿進(jìn)行了微觀表征。1）基于七氮雜環(huán)的前驅(qū)體在熔鹽中解聚為三嗪?jiǎn)误w，KCl3作為主導(dǎo)核心，引導(dǎo)PTI分子單元的定向堆積，形成聚集體晶體。2）在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)晶面的裁剪，得到了分散性改善和光催化性能增強(qiáng)的PTI晶體。這項(xiàng)研究對(duì)PTI單體在鹽模板上的定向組裝有了深入的認(rèn)識(shí)，為聚合物晶體的有序凝聚奠定了理論基礎(chǔ)。
Xiaocong Liang, et al, The Directional Crystallization Process of Poly (triazine imide) Single Crystals in Molten Salts, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216434DOI: 10.1002/anie.202216434https://doi.org/10.1002/anie.202216434
5. Angew：設(shè)計(jì)用于促進(jìn)二氧化碳光還原為乙烯的雜原子共摻雜鐵金屬有機(jī)框架
催化劑的合理工程活性位點(diǎn)和有利缺陷是有前途但具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，以將光還原 CO2轉(zhuǎn)化為高附加值的C2產(chǎn)品。近日，揚(yáng)州大學(xué)Fan Guo，南京大學(xué)孫為銀教授通過(guò)一鍋法方便地開(kāi)發(fā)了將 N,S 共摻雜到 MIL-88B 中的設(shè)計(jì)策略。1）一系列對(duì)照試驗(yàn)表明，MIL-88B-NS40催化劑在模擬陽(yáng)光下具有促進(jìn)CO2還原為C2產(chǎn)物C2H4（17.7 μmol/g·h）的催化性能，C2H4的產(chǎn)率高于大多數(shù)已報(bào)道的光催化劑。2）協(xié)同設(shè)計(jì)已建立的 Fe-N 位點(diǎn)和未配位 S 的適當(dāng)缺陷在更有效的電子傳遞中起著關(guān)鍵作用，進(jìn)一步提高了多電子還原過(guò)程的可能性。3）在原位 FT-IR 表征的基礎(chǔ)上，MIL-88B-NS40 中的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了 C?C 耦合二聚化的產(chǎn)生，從而大大增強(qiáng)了 CO2 到 C2H4 的光還原。該研究為在光催化系統(tǒng)中通過(guò) CO2 還原生成 C2 烴類產(chǎn)品提供了一種有前途的方法。
Fan Guo, et al, Designing Heteroatom-Codoped Iron Metal–Organic Framework for Promotional Photoreduction of Carbon Dioxide to Ethylene, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202216232DOI: 10.1002/anie.202216232https://doi.org/10.1002/anie.202216232
6. AM：增強(qiáng)褶皺2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)中光電化學(xué)析氫反應(yīng)的激子操縱
2D材料異質(zhì)結(jié)已經(jīng)證明了作為氫析出反應(yīng)(HER)的無(wú)金屬替代品的能力。迄今為止，HER僅限于不同組成或結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)。臺(tái)灣大學(xué)Yang-Fang Chen和Mario Hofmann等展示了基于褶皺2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)變調(diào)制的潛力，這有助于實(shí)現(xiàn)光電催化活性結(jié)。1）通過(guò)在WS2單層中形成高拉伸應(yīng)變和低拉伸應(yīng)變的褶皺區(qū)域，在橫向方向上產(chǎn)生了由于壓電性引起的能帶結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)的局部改變。這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了有效的電子-空穴對(duì)，這是由于光俘獲和激子向WS2褶皺的頂部聚集，并增強(qiáng)了激子分離。此外，褶皺的形成在2D層和襯底之間引起氣隙，這降低了界面散射效應(yīng)，并因此提高了電荷載流子遷移率。對(duì)光催化HER的應(yīng)變依賴性的詳細(xì)研究表明，Tafel斜率增加了兩倍，交換電流密度增加了30倍。2）最后，通過(guò)量子點(diǎn)和2D異質(zhì)結(jié)的功能化來(lái)優(yōu)化光吸收產(chǎn)生了前所未有的光電催化性能，并提供了一種用于未來(lái)能量產(chǎn)生的應(yīng)變調(diào)制WS2納米結(jié)的可擴(kuò)展形成的途徑。
Ghosh, R., et al, Exciton Manipulation for Enhancing Photo-electrochemical Hydrogen Evolution Reaction in Wrinkled 2D Heterostructures. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2210746.DOI: 10.1002/adma.202210746https://doi.org/10.1002/adma.202210746
7. AM: 用于高性能鋅-空氣電池的加速氧轉(zhuǎn)移納米通道氟化共價(jià)有機(jī)框架
在空氣陰極中建立具有加速傳質(zhì)的豐富三相界面對(duì)于開(kāi)發(fā)高速率和長(zhǎng)周期可再充電鋅空氣電池（ZAB）極其重要。共價(jià)有機(jī)框架（COF）具有特定的納米孔結(jié)構(gòu)，有助于合理調(diào)整其特定性質(zhì)。近日，清華大學(xué)劉凱、王保國(guó)報(bào)道了用于高性能鋅-空氣電池的加速氧轉(zhuǎn)移納米通道氟化共價(jià)有機(jī)框架。1)通過(guò)調(diào)整COF的氟化納米孔，作者設(shè)計(jì)和合成了一種用于可充電ZAB的新型高性能空氣陰極。并且COF納米片在其納米孔（氟化COF）中用氟化烷基鏈修飾，其對(duì)O2具有高親和力。氟化COF納米片堆疊形成O2傳輸通道在親水性FeNi層狀雙氫氧化物（FeNi-LDH）電催化劑表面上組裝成親氣的“納米島”。2) 因此，O2和水的傳質(zhì)通道在納米尺度上得到了分離，從而顯著擴(kuò)大了三相界面的面積，并大大促進(jìn)了其中的傳質(zhì)。基于COF改性空氣陰極的ZAB具有小的充電/放電電壓間隙（在5 mA cm?2下為0.64 V）、峰值功率密度（118 mW cm?2）和穩(wěn)定的循環(huán)性，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的Fe-Ni-LDH空氣陰極。
Qingbin Cao, et al. Fluorinated covalent organic framework with accelerated oxygen transfer nano-channels for high performance zinc-air batteries. Adv. Mater. 2023DOI: 10.1002/adma.202210550https://doi.org/10.1002/adma.202210550
8. AEM：用于鈉硫電池隔膜的自組裝共價(jià)有機(jī)骨架膜
室溫鈉硫(RT/Na–S)電池是一種有前途的低成本儲(chǔ)能技術(shù)。然而，隔膜在系統(tǒng)中的重要作用經(jīng)常被忽視。浙江大學(xué)陸俊、Qinghua Zhang和Yang Hou等開(kāi)創(chuàng)了共價(jià)有機(jī)支架膜的主客體自組裝策略，賦予膜多種功能(鈉離子轉(zhuǎn)運(yùn)、限制和多硫化物轉(zhuǎn)化)，以維持RT/Na–S電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1）獨(dú)立式多功能共價(jià)有機(jī)框架膜(HB/CNT@COF)最大限度地發(fā)揮了主體框架和客體分子的作用。由于羥基萘酚藍(lán)(HB)和多壁碳納米管(CNT)的協(xié)同效應(yīng)，HB/CNT@COF電池的容量為733.4 mAh g-1，在4C下循環(huán)400次后容量衰減有限。2）這一性能是商用玻璃纖維隔膜的近4倍。此外，該電池在電解質(zhì)貧乏的條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
Chen, S., et al, Brain Capillary-Inspired Self-Assembled Covalent Organic Framework Membrane for Sodium–Sulfur Battery Separator. Adv. Energy Mater. 2023, 2204334.DOI: 10.1002/aenm.202204334https://doi.org/10.1002/aenm.202204334
9. ACS Nano：一種用于碳納米管多功能化的微波輔助無(wú)溶劑方法
雖然碳納米管 (CNT) 的功能化已引起廣泛應(yīng)用的廣泛興趣，但仍然需要一種面面俱到的多功能策略。在這里，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所Don N. Futaba，Kenji Hata報(bào)道了一種微波輔助、無(wú)溶劑的方法，可以直接功能化原始形式和任意宏觀組件中的 CNT。1）應(yīng)用快速微波輻射在 CNT 上產(chǎn)生活性位點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)對(duì)石墨網(wǎng)絡(luò)造成過(guò)度損壞，并且氣相沉積為徹底或區(qū)域選擇性功能化提供了可控接枝。使用甲基丙烯酸甲酯 (MMA) 作為模型官能團(tuán)和 CNT 海綿作為模型組件，均勻接枝表現(xiàn)出更強(qiáng)的疏水性（接觸角從 30 增加到 140°）和改善的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（壓縮模量增加 135%）。2）因此，當(dāng)MMA 功能化 CNT 用作鹽水蒸餾的太陽(yáng)能吸收器時(shí)，觀察到高操作穩(wěn)定性和 ~2.6 kg m-2 h-1 的優(yōu)異水蒸發(fā)率。最后，為了突出這種功能化方法的功效和多功能性，通過(guò)區(qū)域選擇性功能化制造了不對(duì)稱疏水性 CNT 海綿，作為水分驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，表現(xiàn)出 0.6 mV 的穩(wěn)定開(kāi)路電壓。這種多功能、無(wú)溶劑的方法可以補(bǔ)充傳統(tǒng)的基于溶液的技術(shù)，用于設(shè)計(jì)和制造多功能納米碳基材料。
Dewu Lin, et al, A Microwave-Assisted, Solvent-Free Approach for the Versatile Functionalization of Carbon Nanotubes, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c12789https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12789
10. ACS Nano: 使用最小復(fù)雜度構(gòu)建塊設(shè)計(jì)任意形狀的自組裝
自組裝多組件對(duì)象的設(shè)計(jì)空間范圍從每個(gè)構(gòu)建塊都是唯一的解決方案到具有最少數(shù)量的明確定義目標(biāo)結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)建塊的解決方案。近日，亞利桑那州立大學(xué)Petr ?ulcv開(kāi)發(fā)了一個(gè)管道來(lái)探索一組不同大小和復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間。1）為了解不同解決方案的含義，我們使用斑塊粒子模擬分析了它們的組裝動(dòng)力學(xué)，并研究了不同構(gòu)建塊的數(shù)量以及它們相互作用的角度和空間公差對(duì)目標(biāo)組裝的動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)量的影響。2）研究表明，與每個(gè)構(gòu)建塊都是唯一的設(shè)計(jì)相比，具有最少數(shù)量不同塊的資源節(jié)省解決方案通常可以組裝得一樣好（或更快）。進(jìn)一步使用該方法來(lái)設(shè)計(jì)多種結(jié)構(gòu)，其中構(gòu)建塊在不同的目標(biāo)結(jié)構(gòu)之間共享。3）最后，使用粗粒度 DNA 模擬來(lái)研究使用 DNA 納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)構(gòu)建塊的多組分形狀。
Joakim Bohlin, et al, Designing the Self-Assembly of Arbitrary Shapes Using Minimal Complexity Building Blocks, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c09677https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09677
11. ACS Nano：超薄夾層的彈塑性設(shè)計(jì)以增強(qiáng)柔性電子產(chǎn)品的應(yīng)變耐受性
在不同程度的變形過(guò)程中承受大應(yīng)變的能力是柔性電子產(chǎn)品發(fā)展的核心問(wèn)題。現(xiàn)在常用的增強(qiáng)薄膜器件應(yīng)變耐受性的策略集中在器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和材料界面處鍵合的增加上。近日，香港理工大學(xué)Zijian Zheng提出了一種策略，即超薄夾層的彈塑性設(shè)計(jì)，以提高柔性電子產(chǎn)品的應(yīng)變?nèi)菹蕖?/span>1）研究證明，無(wú)論基板厚度或界面結(jié)合如何，在上層剛性薄膜/器件和軟基板之間插入超薄、堅(jiān)硬（高楊氏模量）和彈性（高屈服應(yīng)變）夾層都可以顯著降低實(shí)際應(yīng)變當(dāng)基板彎曲時(shí)應(yīng)用于薄膜/設(shè)備。2）彈塑性設(shè)計(jì)策略獨(dú)立于現(xiàn)有策略，提供了一種有效的方法來(lái)增強(qiáng)設(shè)備的靈活性，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)或改變材料界面。
Hong Hu, et al, Elasto-Plastic Design of Ultrathin Interlayer for Enhancing Strain Tolerance of Flexible Electronics, ACS Nano, 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c12269https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12269
12. ACS Nano: 電解液中添加二惡烷促進(jìn)鋅離子電池中（002）織構(gòu)的鋅生長(zhǎng)和抑制副反應(yīng)
水性鋅離子電池（ZIB）的可逆性和循環(huán)性在很大程度上取決于鋅陽(yáng)極的穩(wěn)定性。因此，能夠抑制枝晶和副反應(yīng)的穩(wěn)定陽(yáng)極/電解質(zhì)界面對(duì)于高性能ZIB至關(guān)重要。近日，華盛頓大學(xué)曹?chē)?guó)忠、河北工程大學(xué)Zhang Hong、中國(guó)科學(xué)院Li Zhaoqian在電解液中添加二惡烷促進(jìn)鋅離子電池中（002）織構(gòu)的鋅生長(zhǎng)和抑制副反應(yīng)。1) 作者研究了1,4-二惡烷（DX）的吸附，以及促進(jìn)Zn（002）晶面的暴露并防止枝晶生長(zhǎng)。存在于界面處的DX可以抑制有害的副反應(yīng)，而添加DX的ZIB在10 mA cm–2的惡劣條件下具有1000小時(shí)的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性和超高的累積電鍍?nèi)萘浚? Ah cm–2），并具有良好的可逆性，以及平均庫(kù)侖效率為99.7%。2) 添加DX的Zn//NH4V4O10全電池具有高比容量（202 mAh g–1，5 A g–1）和容量保持率（經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)后為90.6%），這遠(yuǎn)優(yōu)于原始ZnSO4電解質(zhì)的ZIB。選擇性地調(diào)整吸附分子在晶體面上的Zn2+沉積速率是設(shè)計(jì)高性能Zn陽(yáng)極的有效分子調(diào)制策略，并可應(yīng)用于其他遭受不穩(wěn)定性和不可逆性的金屬陽(yáng)極。
Tingting Wei, et al. Addition of Dioxane in Electrolyte Promotes (002)-Textured Zinc Growth and Suppressed Side Reactions in Zinc-Ion Batteries. ACS Nano 2023DOI: 10.1021/acsnano.2c11516https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c11516
